Як працюють вакцини: від коров'ячої віспи до мРНК

Що таке вакцина

Вакцина — це біологічний препарат, який тренує організм захищатися від певної хвороби ще до того, як він зустрінеться зі справжнім збудником. Лікарі називають захист, який вона дає, активним набутим імунітетом: активним, бо роботу виконує власна імунна система організму, і набутим, бо цей захист формується протягом життя, а не успадковується від народження.

Більшість вакцин містить щось схоже на хвороботворний мікроорганізм, але нездатне спричинити повноцінну хворобу. Це може бути ослаблена або вбита форма мікроба, знешкоджений варіант токсину, який він виробляє, один білок із його поверхні або генетична інструкція, що дає змогу клітинам організму недовго виробляти такий білок. Імунна система сприймає цього нешкідливого двійника як загрозу, знищує його і, що найважливіше, запам'ятовує. Якщо згодом з'явиться справжній збудник, організм швидко його впізнає і дасть відсіч, часто ще до появи будь-яких симптомів.

Більшість вакцин використовують для запобігання інфекційним хворобам, які спричиняють віруси та бактерії, — наприклад, кору, поліомієліту, правцю чи грипу. Деякі захищають і від раку: вакцина проти вірусу папіломи людини (ВПЛ) запобігає інфекціям, що можуть призвести до раку шийки матки, а вакцина проти гепатиту B знижує ризик одного з видів раку печінки. Науковці також розробляють терапевтичні вакцини проти раку, мета яких — допомогти імунній системі атакувати пухлини, що вже існують.

Як вакцини тренують імунну систему

Щоб зрозуміти вакцини, корисно знати, як імунна система поводиться з новим загарбником. Кожен збудник має на своїй поверхні молекули, часто білки, які організм може розпізнати як чужорідні. Ці молекули називають антигенами. Коли імунна система стикається з незнайомим антигеном, вона запускає відповідь, на розгортання якої потрібно кілька днів. Саме через цю затримку перше зараження новою хворобою може спричинити в людини тяжку недугу.

Головні учасники

• B-лімфоцити виробляють антитіла — білки у формі літери Y, які чіпляються до певного антигену. Антитіла можуть не давати вірусу проникнути в клітини або позначати бактерії для знищення.
• T-хелпери координують відповідь і допомагають B-лімфоцитам виробляти кращі антитіла.
• Цитотоксичні T-лімфоцити (T-кілери) знаходять і знищують клітини організму, уражені вірусом.
• Клітини пам'яті — це довгоживучі B- і T-лімфоцити, які залишаються після завершення інфекції. Саме вони і є справжньою метою вакцинації.

Вакцина влаштовує генеральну репетицію. Оскільки антиген, який вона доставляє, не може спричинити повноцінну хворобу, організм має час безпечно пройти через повільну першу відповідь. Клітини пам'яті, що залишаються після цього, забезпечують те, що пізніша зустріч зі справжнім збудником викликає набагато швидшу й сильнішу реакцію. Для багатьох хвороб саме в цьому полягає різниця між тяжкою недугою і відсутністю хвороби взагалі.

Ревакцинація та ад'юванти

Деякі вакцини дають довічний захист після однієї-двох доз, а іншим потрібні повторні дози, так звані бустерні дози, або ревакцинація, щоб імунітет залишався міцним. Захист від правцю, наприклад, з роками слабшає, тож дорослим радять проходити ревакцинацію. Багато вакцин також містять ад'ювант — складник, що посилює імунну відповідь. Солі алюмінію використовують як ад'юванти вже багато десятиліть. Ад'юванти дають змогу вакцині добре діяти з меншою кількістю антигену.

Від віспяних струпів до коров'ячої віспи: народження вакцинації

Задовго до того, як хтось дізнався про існування мікробів, люди помітили, що ті, хто вижив після натуральної віспи, майже ніколи не хворіли на неї вдруге. Віспа була однією з найсмертоносніших хвороб в історії людства, і багато суспільств намагалися скористатися цим спостереженням. Під час практики, яку називають варіоляцією, здорових людей навмисно заражали матеріалом із віспяних пухирців — зазвичай через невеликий надріз на шкірі або, як у Китаї, вдуваючи в ніс розтерті на порошок струпи. Варіоляція здебільшого спричиняла легшу хворобу, ніж природна віспа, але була ризикованою: дехто помирав, а заражені могли передати хворобу іншим.

Варіоляцію століттями практикували в частині Азії та Африки, а також в Османській імперії. 1721 року її поширенню в Англії сприяла леді Мері Уортлі Монтегю, яка бачила цю процедуру в Константинополі й зробила щеплення власним дітям. Того ж року під час епідемії віспи в Бостоні священник Коттон Мезер заохочував цю практику, дізнавшись про неї від Онисима — поневоленого африканця, який розповів, як її виконували на його батьківщині.

Вирішальний крок зробив англійський сільський лікар Едвард Дженнер. Фермери давно казали, що доярки, які перехворіли на коров'ячу віспу — легку хворобу, яку можна підхопити від корів, — не захворюють на натуральну віспу. 1796 року Дженнер перевірив це припущення. Він узяв матеріал із пухирця коров'ячої віспи на руці доярки Сари Нелмс і ввів його в невеликий надріз на руці Джеймса Фіппса — восьмирічного сина свого садівника. Пізніше він піддав хлопчика дії матеріалу натуральної віспи, і той не захворів. Метод Дженнера був набагато безпечнішим за варіоляцію і швидко поширився Європою та за її межами.

Слово вакцина походить від латинського vacca — «корова», що нагадує про коров'ячу віспу, з якої почався цей метод. Пізніше французький учений Луї Пастер запропонував на честь праці Дженнера вживати слова «вакцина» і «вакцинація» щодо всіх подібних профілактичних засобів.

Пастер і доба лабораторних вакцин

Дженнер знайшов щасливий природний «короткий шлях» — споріднену, легшу хворобу. Луї Пастер наприкінці XIX століття показав, що науковці можуть навмисно створювати ослаблених збудників. Працюючи з курячою холерою, його команда виявила, що бактерії зі старих культур значною мірою втрачали здатність спричиняти хворобу, але все ж захищали курей від свіжих, небезпечних бактерій. Пастер зрозумів, що ослаблення, або атенуація, мікробів у лабораторії — це загальний метод.

Він застосував цю ідею до сибірки — хвороби, від якої гинула худоба, — і 1881 року продемонстрував вакцину проти сибірки під час знаменитого публічного експерименту з вівцями. 1885 року він із колегами лікував Жозефа Мейстера, хлопчика, якого покусав скажений пес, серією ін'єкцій ослабленого препарату проти сказу. Хлопчик вижив, і цей успіх приніс Пастерові світову славу. Сказ має незвично довгий інкубаційний період, тому вакцина, введена після укусу, ще може запобігти розвиткові хвороби.

У XX столітті з'явилися вакцини проти дифтерії, правцю, кашлюку, туберкульозу, жовтої гарячки, грипу, поліомієліту, кору, епідемічного паротиту, краснухи та багатьох інших хвороб. Вакцини проти поліомієліту, розроблені Джонасом Солком (ін'єкційна інактивована вакцина, запроваджена 1955 року) та Альбертом Себіном (жива оральна вакцина у вигляді крапель), перетворили хворобу, яка щороку паралізувала багато тисяч дітей, на таку, що нині майже ліквідована.

Основні види вакцин

Усі вакцини мають одну мету — показати імунній системі безпечну версію антигену, — але досягають її різними шляхами.

1. Живі атенуйовані вакцини містять живого, але ослабленого збудника, який може трохи розмножуватися, не спричиняючи тяжкої хвороби. Оскільки вони дуже точно імітують природну інфекцію, то часто дають сильний і тривалий імунітет. Приклади — вакцина проти кору, паротиту та краснухи (КПК) і вакцина проти жовтої гарячки. Зазвичай їх не вводять людям із дуже ослабленою імунною системою.
2. Інактивовані вакцини містять збудників, убитих нагріванням або хімічними речовинами. Вони не можуть розмножуватися, тож часто потребують кількох доз. Прикладами є ін'єкційна вакцина проти поліомієліту та вакцини проти сказу.
3. Субодиничні, рекомбінантні та білкові вакцини використовують лише вибрані частини збудника, часто поверхневий білок. Вакцина проти гепатиту B була однією з перших, створених за допомогою генної інженерії: вірусний білок для неї виробляють дріжджові клітини. Вакцина проти ВПЛ використовує білки, які збираються в порожні вірусоподібні оболонки без генетичного матеріалу всередині.
4. Анатоксинні вакцини захищають від хвороб, за яких основної шкоди завдає токсин, що його виробляють бактерії. Токсин хімічно знешкоджують, тож він не може зашкодити організмові, але все одно вчить імунну систему його нейтралізувати. Так діють вакцини проти правцю та дифтерії.
5. Кон'юговані вакцини приєднують молекули цукрів із зовнішньої оболонки бактерії до білка-носія. Імунна система маленьких дітей слабко реагує на самі лише цукри, а зв'язування їх із білком розв'язує цю проблему. Вакцини проти Haemophilus influenzae типу b (Hib), пневмокока й менінгокока є кон'югованими.
6. Векторні вакцини використовують нешкідливий вірус як транспортний засіб, що доставляє в клітини генетичну інструкцію для антигену. Цей підхід застосовано в деяких вакцинах проти COVID-19 і у вакцині проти Еболи.
7. мРНК-вакцини доставляють фрагмент матричної РНК, загорнутий у крихітні жирові частинки. Клітини зчитують інструкцію, недовго виробляють антиген, а потім розщеплюють мРНК. мРНК ніколи не потрапляє в ядро клітини і не змінює ДНК людини.

Прорив мРНК

Науковці десятиліттями працювали над ідеєю мРНК-вакцин, проте ранні версії викликали небажане запалення і надто легко руйнувалися. Ключове відкриття зробили біохімікиня угорського походження Каталін Каріко та американський імунолог Дрю Вайсман: вони виявили, що незначна зміна будівельних блоків мРНК дає їй змогу потрапляти в клітини, не запускаючи шкідливої запальної реакції. Їхня праця разом із поступом у пакуванні мРНК у ліпідні наночастинки уможливила мРНК-вакцини проти COVID-19.

Коли почалася пандемія COVID-19, ці вакцини розробили, перевірили у великих клінічних випробуваннях і дозволили до застосування приблизно за рік — набагато швидше, ніж будь-яку вакцину до того. Таку швидкість забезпечили роки попередніх досліджень, дуже великі випробування, у яких різні фази проводили паралельно, та уряди, що фінансували виробництво ще до отримання результатів, а не пропуск етапів перевірки безпеки. 2023 року Каріко і Вайсман отримали Нобелівську премію з фізіології або медицини за свої відкриття. Оскільки мРНК-вакцину можна переробити, просто змінивши генетичну послідовність, дослідники нині випробовують цю технологію проти інших інфекцій і проти раку.

Колективний імунітет: захист, що поширюється

Вакцини захищають не лише того, хто їх отримує. Коли достатньо людей у громаді мають імунітет, збудник не знаходить досить нових господарів, щоб поширюватися далі, і спалахи згасають. Цей ефект називають колективним імунітетом, або популяційним імунітетом. Він захищає тих, кого не можна вакцинувати: новонароджених, деяких людей із тяжкими хворобами та тих, чия імунна система погано реагує на вакцини.

Частка людей, які мають бути несприйнятливими до хвороби, залежить від того, наскільки вона заразна. Кір — одна з найзаразніших відомих хвороб, тому для запобігання спалахам потрібне охоплення вакцинацією близько 95 відсотків. Коли охоплення знижується, навіть в одному місті чи одній школі, кір може швидко повернутися.

Ключові досягнення в цифрах

• Натуральна віспа лише у XX столітті забрала життя сотень мільйонів людей. Всесвітня кампанія вакцинації під керівництвом Всесвітньої організації охорони здоров'я (ВООЗ) виявила й локалізувала останні спалахи, і 1980 року Всесвітня асамблея охорони здоров'я оголосила віспу ліквідованою. Це була перша хвороба людини, яку будь-коли викорінили на планеті.
• Чуму великої рогатої худоби, нищівну для тваринництва хворобу, оголосили ліквідованою 2011 року — це друга повністю викорінена хвороба, і знову завдяки вакцинації.
• Кількість випадків поліомієліту скоротилася більш ніж на 99 відсотків відтоді, як 1988 року розпочалася глобальна ініціатива з його ліквідації, а дикий поліовірус зберігся лише в дуже невеликій кількості країн.
• 1974 року ВООЗ започаткувала Розширену програму імунізації, щоб забезпечити основними дитячими вакцинами кожну країну. Сьогодні, за оцінками, вакцини щороку запобігають кільком мільйонам смертей.

Як перевіряють безпечність вакцин

Безпечність та ефективність вакцин належать до найретельніше вивчених тем у медицині. Перш ніж вакцину схвалять, вона проходить лабораторні дослідження, а потім клінічні випробування в кілька фаз: спершу на невеликих групах добровольців, потім на сотнях, а часто й на десятках тисяч людей, і результати порівнюють із групою, яка вакцини не отримувала. Регуляторні органи вивчають дані, перш ніж дозволити застосування вакцини.

Нагляд триває і після схвалення. Органи охорони здоров'я ведуть системи повідомлень і великі дослідження, що шукають рідкісні побічні ефекти, які проявляються лише тоді, коли щеплено мільйони людей. Найпоширеніші реакції легкі й короткочасні: біль у руці, невелике підвищення температури чи втома протягом дня-двох — ознаки того, що імунна система відповідає. Тяжкі алергічні реакції трапляються дуже рідко, і саме тому після щеплення людей зазвичай просять зачекати кілька хвилин.

Вакцини стикалися й з дезінформацією. Статтю 1998 року, у якій стверджувався зв'язок між вакциною КПК та аутизмом, визнали шахрайською й відкликали, а її головний автор втратив ліцензію лікаря. Численні великі дослідження за участю мільйонів дітей жодного такого зв'язку не виявили. Попри це, посіяний нею страх сприяв зниженню рівня вакцинації та спалахам кору в кількох країнах.

Маловідомі факти про вакцини

• Вірус, який використовують у сучасній вакцині проти натуральної віспи, називається вірусом вакцинії. Генетичні дослідження показують, що він споріднений із вірусом коров'ячої віспи, але не тотожний йому, а його точне походження досі є предметом дискусій.
• Багато вакцин проти грипу досі вирощують у курячих яйцях, тому людям із тяжкою алергією на яйця колись радили бути обережними. Новіші методи натомість використовують клітинні культури.
• Вакцини проти грипу регулярно оновлюють, бо вірус грипу постійно змінюється. Експерти ВООЗ рекомендують новий склад штамів двічі на рік — окремо для Північної та для Південної півкулі.
• Не кожна вакцина — це укол. Існують оральні вакцини проти поліомієліту, ротавірусу та холери, а один із видів вакцини проти грипу розпилюють у ніс.
• Багато вакцин треба зберігати в холоді, зазвичай за температури від 2 до 8 °C, від заводу до медичного закладу. Цей ланцюжок із холодильників, термоконтейнерів і морозильників називають холодовим ланцюгом, і підтримувати його у віддалених районах — одне з найбільших завдань глобальної імунізації.
• Вакцини захищають і тварин. У частині Європи принади з вакциною, які скидали з літаків для диких лисиць, допомогли позбутися лисячого сказу в кількох країнах.

Чому вакцини досі важливі

Багато хвороб, які колись переповнювали лікарні, як-от дифтерія, кашлюк і кір, стали рідкісними там, де рівень вакцинації високий. Оскільки сьогодні мало хто бачив ці недуги, легко забути, наскільки небезпечними вони були. Проте збудники нікуди не зникли й можуть повернутися щоразу, коли імунітет населення слабшає.

Тривають дослідження вакцин проти хвороб, яким досі важко запобігти, зокрема малярії, туберкульозу та ВІЛ. 2021 року ВООЗ рекомендувала першу вакцину проти малярії для широкого застосування серед дітей у регіонах, де ця хвороба поширена, — досягнення, на яке пішли десятиліття праці, бо малярійний паразит набагато складніший за вірус. Від експерименту Дженнера з коров'ячою віспою доярки до вакцин, створених на комп'ютері на основі генетичного коду, ідея залишилася тією самою: навчити організм заздалегідь, щоб він був готовий, коли прийде справжня небезпека.